基于高通濾波器的地面自動(dòng)過(guò)分相的過(guò)電壓抑制

吳強(qiáng) 陳趙曦 李圣清 吳麗然

摘要：因?yàn)闄C(jī)車(chē)在過(guò)電分相的過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)對(duì)電氣化鐵路的安全造成很大的影響，為了研究抑制過(guò)電壓的方法，建立了地面自動(dòng)過(guò)分相的等效電氣模型，并根據(jù)該模型以及機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程中的電壓波形對(duì)過(guò)電壓的產(chǎn)生原理進(jìn)行分析研究。從而提出加裝RLc裝置，RLc裝置不僅可以組成高通濾波器來(lái)抑制機(jī)車(chē)中的網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波，其中的R和c還能組成阻容吸收器來(lái)抑制過(guò)電壓。通過(guò)計(jì)算可得出該裝置各個(gè)元件具體參數(shù)，然后以此建立仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證表明該方法正確有效。

關(guān)鍵詞：過(guò)分相;過(guò)電壓;諧波;仿真

0引言

在我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)之初，采用的是27.5 kV單相工頻交流供電制式為電力機(jī)車(chē)供電。但是機(jī)車(chē)如果僅從三相供電網(wǎng)中的某一相取電，這便會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)產(chǎn)生大量負(fù)序電流。為解決上述問(wèn)題，電氣化鐵道采用分段換相供電。同時(shí)，為防止不同相之間發(fā)生短路，電氣化鐵路依靠空氣和絕緣器件將各相隔離，這便是我們所說(shuō)的電分相。而關(guān)節(jié)式電分相因不存在機(jī)械硬點(diǎn)，使得機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)，可以平滑地進(jìn)入或駛出中性段，所以，被廣泛運(yùn)用于電氣化鐵道中。

目前主流的自動(dòng)過(guò)分相方案有兩種，即機(jī)車(chē)斷電自動(dòng)過(guò)分相和地面自動(dòng)過(guò)分相。而機(jī)車(chē)斷電自動(dòng)過(guò)分相因具備斷電時(shí)間長(zhǎng)，從而導(dǎo)致機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)速度損失大的缺點(diǎn)。所以，地面自動(dòng)過(guò)分相必將成為電氣化鐵路的主要發(fā)展方向。但是在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)電分相時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)放電間隙被擊穿、牽引變電所跳匝等事故。因此，研究如何抑制機(jī)車(chē)在過(guò)電分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)電氣化鐵路安全運(yùn)營(yíng)有著非常重要的意義。

所以，想要抑制機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，我們首先需要對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征有一定的了解。目前我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)主要采用六跨、七跨、八跨、九跨、十二跨、十六跨錨段關(guān)節(jié)式電分相。其中，十二跨、十六跨電分相主要運(yùn)用于高速鐵路，如秦沈線(xiàn)、武廣線(xiàn)等。而在干線(xiàn)鐵路中七跨關(guān)節(jié)式電分相得到了廣泛的運(yùn)用，如京廣線(xiàn)、廣深線(xiàn)等。如圖1所示為七跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)圖，其由2個(gè)四跨錨段關(guān)節(jié)重疊構(gòu)成，兩跨之間約為90 m，A、B分別表示左右兩側(cè)供電臂。

其次我們還需要了解過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理。因此本文對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)電分相的過(guò)程進(jìn)行了仿真，并通過(guò)研究分相區(qū)牽引網(wǎng)的等效電氣參數(shù)和數(shù)學(xué)模型來(lái)分析機(jī)車(chē)在過(guò)電分相時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓的原因，從而提出相應(yīng)的過(guò)電壓抑制措施。

1地面自動(dòng)過(guò)分相模型

為了能進(jìn)一步分析地面自動(dòng)過(guò)分相的電磁暫態(tài)過(guò)程，本文對(duì)地面自動(dòng)過(guò)分相進(jìn)行建模，然后利用實(shí)際參數(shù)對(duì)機(jī)車(chē)過(guò)分相的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬。將理論分析與仿真結(jié)果結(jié)合起來(lái)，以便更好地研究出一直過(guò)電壓的方案。

錨段關(guān)節(jié)式電分相左右兩側(cè)供電臂長(zhǎng)為25 km，建立七跨關(guān)節(jié)式電分相的仿真模型，某高速鐵路單線(xiàn)牽引網(wǎng)接觸線(xiàn)采用CTMH250型號(hào)，承力索為JTMH220，鋼軌型號(hào)為P60。將接觸網(wǎng)各參數(shù)匯總?cè)绫?。

根據(jù)這些參數(shù)可建立如圖2所示的機(jī)車(chē)過(guò)電分相時(shí)的牽引網(wǎng)等效電路模型。圖2中機(jī)車(chē)模型由機(jī)車(chē)等效阻抗z9、機(jī)車(chē)變壓器勵(lì)磁阻抗z10、高壓互感器z11以及受電弓對(duì)地電容C6組成。cB3、CB4、cB5模擬的是機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中，受電弓在接觸網(wǎng)上的不同的位置。

2過(guò)電壓、諧波產(chǎn)生原理

2.1操作過(guò)電壓產(chǎn)生原理

機(jī)車(chē)在過(guò)分相過(guò)程中，受電弓與接觸網(wǎng)接觸位置的時(shí)刻變化，致使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而發(fā)生電磁能量的突變引起過(guò)電壓。機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中可分為3個(gè)階段，各階段電壓變化如下。

1）在進(jìn)入中性段之前，機(jī)車(chē)在供電臂A上運(yùn)行并由其供電。當(dāng)機(jī)車(chē)即將進(jìn)入中性段時(shí)，中性段與供電臂A相連，使機(jī)車(chē)能帶電過(guò)分相。此時(shí)電壓如圖3所示。當(dāng)CB1閉合時(shí)，中性段電壓由感應(yīng)電壓變?yōu)闋恳儔浩麟妷?，此時(shí)電壓值明顯變大。

2）當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段一段時(shí)間后，CB1打開(kāi)，中性段與供電臂A斷開(kāi)連接。供電臂A停止給機(jī)車(chē)供電。此時(shí)，機(jī)車(chē)上的感性負(fù)載的能量將逐漸轉(zhuǎn)移到中性段對(duì)地電容上，形成1個(gè)強(qiáng)烈的二階振蕩，中性段上產(chǎn)生截流過(guò)電壓。

CB1斷開(kāi)后，在經(jīng)過(guò)1個(gè)短時(shí)間的延時(shí)后CB2閉合。由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以在這個(gè)短時(shí)間的延時(shí)過(guò)程中，機(jī)車(chē)上仍然存在電流，這個(gè)電流在流過(guò)機(jī)車(chē)主變壓器的二次繞組時(shí)會(huì)耦合到一次側(cè)，并在中性線(xiàn)產(chǎn)生電壓。因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)車(chē)處于中性段，該電壓與中性線(xiàn)感應(yīng)電壓疊加產(chǎn)生中性線(xiàn)殘壓。在CB2閉合后，如果中性線(xiàn)殘壓與供電臂上電壓源UB存在瞬態(tài)壓差，那么中性線(xiàn)對(duì)地電容和接觸網(wǎng)上阻抗之間將產(chǎn)生1個(gè)振蕩過(guò)程，該過(guò)程中，當(dāng)各點(diǎn)響應(yīng)的暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量相位相同時(shí)，兩分量將會(huì)疊加從而產(chǎn)生合閘過(guò)電壓。中性段上電壓如圖4所示。

3）機(jī)車(chē)離開(kāi)中性段后CB2斷開(kāi)，中性段與供電臂B斷開(kāi)連接，機(jī)車(chē)完成過(guò)分相。

2.2諧波

交流電力機(jī)車(chē)是牽引供電系統(tǒng)中最主要的諧波源，主要由網(wǎng)側(cè)變流器中PWM控制中開(kāi)關(guān)元件高頻切換引起的。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知當(dāng)機(jī)車(chē)處于牽引網(wǎng)不同位置時(shí)，其兩側(cè)牽引網(wǎng)將呈現(xiàn)出不同阻抗特性，當(dāng)兩側(cè)阻抗可分別等效為容性阻抗和感性阻抗且兩側(cè)阻抗參數(shù)發(fā)生并聯(lián)諧振匹配時(shí)，諧振將引起機(jī)車(chē)壓嚴(yán)重畸變，從而威脅到牽引網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性。

3抑制方法

機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波可能在電網(wǎng)中引起并聯(lián)諧振，此時(shí)諧波電流將會(huì)急劇加大，同時(shí)疊加在基波電壓上的諧波電壓也會(huì)急劇加大，從而引起過(guò)電壓，導(dǎo)致機(jī)車(chē)空間間隙被擊穿、變電所跳匝等事故，從而影響鐵路的安全運(yùn)行。所以，要解決這個(gè)問(wèn)題不僅要抑制機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，還要濾除網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波。

其中抑制操作過(guò)電壓可采用以下幾種方法：①使用IGBT等可控制通斷時(shí)間的器件來(lái)改變通斷時(shí)電壓電流的相角;②在線(xiàn)路上加裝保護(hù)裝置，如阻容吸收裝置、氧化鋅避雷器（MOA）等。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知抑制諧波有兩種方法：①針對(duì)機(jī)車(chē)上的網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行治理，即針對(duì)其控制方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出抑制諧波的方法;②加裝濾波裝置。

而RLC裝置不僅可以組成1個(gè)高通濾波器來(lái)濾除機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波，同時(shí)該裝置中的電阻R、電容c還可組成阻容吸收器來(lái)抑制操作過(guò)電壓。因此本文提出在中性段加裝RLC裝置來(lái)解決過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

3.1過(guò)電壓抑制原理

RLC裝置抑制過(guò)電壓的原理如圖7所示，其中，電阻R可用來(lái)消耗高頻振蕩的能量;而電感L因具有通低頻阻高頻的特性，所以流向R的工頻電流將會(huì)減少，從而降低工頻電流的消耗;而電容c則是因?yàn)槠渚哂须妷翰荒芡蛔兊奶匦?，過(guò)電壓上升速度將會(huì)得到減緩。

又因?yàn)闄C(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的37～43次諧波頻率可能與牽引網(wǎng)諧振頻率重合，從而產(chǎn)生諧振，危及牽引網(wǎng)及設(shè)備安全。因此，RLC裝置的阻抗在37～43 HzB寸呈現(xiàn)低阻抗。

因此，根據(jù)公式（9）～（13）可求出RLC裝置中各器件取值，電阻R可取20Ω，電感L可取300 uH，電容c可取21uf。

建立仿真模型，模擬中性段加裝RLC裝置以后，機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程中中性段上的電壓如圖9所示，已基本抑制過(guò)電壓和濾除諧波。

4結(jié)論

本文通過(guò)搭建錨段關(guān)節(jié)式電分相和機(jī)車(chē)的模型，對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)地面自動(dòng)過(guò)分相的過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，然后對(duì)地面開(kāi)關(guān)的開(kāi)合閘的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了截流過(guò)電壓、合閘過(guò)電壓以及諧波的產(chǎn)生原理，并闡明了其帶來(lái)的危害，最后提出在中性段上加裝RLC裝置從而達(dá)到抑制操作過(guò)電壓和濾除諧波的效果。仿真結(jié)果表明理論分析正確有效，該方法有效地解決了過(guò)電壓?jiǎn)栴}。